Konfokal-Mikroskopie-basierte Plattform zur Zellsortierung

• Fachliche Zuordnung: Grundlagen der Biologie und Medizin
• Förderung: Förderung in 2025
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 563501122

Die Bottom-up-Synthetische Biologie verfolgt die Vision, eine Zelle aus molekularen Bausteinen wie Lipiden, DNA/RNA und Proteinen nachzubauen. Dieser ingenieurwissenschaftliche Ansatz in der Biologie liefert nicht nur ein fundamentales Verständnis zellulärer Mechanismen, sondern auch innovative Werkzeuge für biomedizinische Interventionen. Wir haben gezeigt, dass funktionelle zelluläre Komponenten künstlich mithilfe einer innovativen DNA/RNA-Faltungsmethode („DNA/RNA-Origami“) hergestellt werden können. Dennoch bleiben komplexe synthetische Zellen bisher unerreicht, da rationale Ingenieursansätze an die Grenzen bekannter Struktur-Funktions-Beziehungen stoßen. Um signifikante Verbesserung der funktionellen Komplexität zu ermöglichen, schlagen wir eine neuartige Strategie vor, die rationale Ingenieurstechniken mit der gerichteten Evolution synthetischer Zellen kombiniert. Der Prozess beginnt mit der Kodierung funktionaler RNA-Origami-Strukturen in Lipidvesikeln (GUVs). Diese RNA-Strukturen, die aus einer DNA-Vorlage (dem „Genotyp“) transkribiert werden, definieren zentrale Eigenschaften der GUVs, wie etwa Permeabilität, Teilungsrate oder sogar eine gewünschte Immun-Effektorfunktion (den „Phänotyp“). Aufbauend auf diesen rational konstruierten RNA-Strukturen werden wir die gerichtete Evolution einleiten, um die gewünschte Funktionalität zu optimieren. Dies umfasst iterative Zyklen genetischer Diversifikation und Selektion, was die Beobachtung der synthetischen Zellen über längere Zeiträume in hoher Auflösung sowie anschließend die Selektion derjenigen mit der gewünschten Funktion aus einem großen Pool erfordert. Hierfür haben wir kürzlich eine bildbasierte Sortiermethode entwickelt, die es ermöglicht, gewünschte Vesikel mittels Photopolymerisation auszuwählen. Ähnliche Technologien sind gefragt, wenn Zellen aus einem großen Pool isoliert werden müssen. Dies betrifft insbesondere leistungsstarke Immunzellen, die untersucht werden können, um die Determinanten ihrer herausragenden Immunität zu verstehen. Wir beantragen daher eine spezialisierte Plattform für die konfokalmikroskopbasierte Sortierung synthetischer und lebender Zellen, die aus drei Hauptkomponenten besteht – einem Konfokalmikroskop, einem digitalen Spiegelgerät und einem Roboterarm – und hohe Auflösung (120 nm), hohe Durchsatzrate (bis zu 500 Zellen/Sekunde) sowie einen hohen Automatisierungsgrad bietet. Insbesondere bildet das Herzstück dieser Pipeline ein hochauflösendes, modernes konfokales Laserscanning-Mikroskop, das mit einem digitalen Spiegelgerät ausgestattet ist und gezielte Photopolymerisation ermöglicht. Die Proben werden von einem Roboterarm auf den Probenhalter platziert, der eine direkte Verbindung zwischen einer Inkubationslagerungseinheit und dem Mikroskop herstellt, wodurch Hochdurchsatz-Screening und eine optimale Nutzung des Setups (z. B. über Nacht) ermöglicht werden. Benutzerdefinierte Software integriert die Hardwarekomponenten und erlaubt die Automatisierung.

• DFG-Verfahren: Forschungsgroßgeräte
• Großgeräte: Konfokal-Mikroskopie-basierte Plattform zur Zellsortierung
• Gerätegruppe: 5090 Spezialmikroskope
• Antragstellende Institution: Ruprecht-Karls-Universität Heidelberg
• Leiterin: Professorin Dr. Kerstin Göpfrich